小型懸軌式輸送車的設計

宋毅　王健　盧艷　梁昊　周曦昕　郭文達

摘要：小型懸軌輸送車廣泛用于移動監(jiān)控、物流、生產管理等領域，輸送車采用摩擦輪驅動，摩擦輪與軌道的壓力由拉簧張力產生，其大小不變，因此輸送車的驅動力不受懸軌傾斜角度的影響，始終保持大小不變，能確保輸送車運行平穩(wěn)。軌道懸空布置，輸送車在空中行駛，不占用地面空間，輸送車既可以通過電池供電，也可以由外部電源供電，大大增加了懸軌輸送車的工作范圍。

關鍵詞：懸軌;摩擦輪;輸送車;移動監(jiān)控

中圖分類號：TH222

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.048

懸軌輸送技術經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)應用到越來越多的領域，中國現(xiàn)在已經(jīng)能夠生產大型的懸軌車，用于載人載貨;小型懸軌式輸送車也得到廣泛應用，比如移動監(jiān)控、車間管理、物流、農牧業(yè)、軍事、體育比賽等[1]，但是現(xiàn)有的懸軌輸送車都是通過車輪與軌道的摩擦驅動的，即驅動力的大小取決于輸送車的重力垂直于軌道的分力和它們之間的摩擦系數(shù)，因此當輸送軌道傾斜時，輸送車的重力垂直于軌道的分力就會發(fā)生改變，導致驅動力發(fā)生改變，特別是上坡時，需要的驅動力更大，但是輸送車的驅動力反而減小了，導致小車運行不平穩(wěn)甚至打滑[2]，影響正常工作，所以需要一種恒定驅動力的懸軌輸送車。

1 小型懸軌式小車設計要求

多功能懸掛式移動輸送車在附加了不同裝置后就可以實現(xiàn)多種功能，作為載體，移動輸送車應該具有以下功能：①移動平穩(wěn)，噪聲小，具有良好的轉彎、爬坡能力，運行速度為6 m/nun;②可在獨立的封閉空中軌道上運行，不能與其他物件發(fā)生干涉、碰撞;③應具有足夠的續(xù)航（工作）時間;④應便于分、合軌運行;⑤能安裝多種儀器設施或其他輕型工具。

2 總體設計

現(xiàn)有的懸軌輸送車驅動方式與汽車相同，驅動輪同時也是負重輪，驅動力為車輪與軌道的垂直壓力與軌道摩擦系數(shù)的乘積，如公式1所示，輸送車在水平軌道上運行可保證恒定的驅動力，但是一旦軌道有坡度，則驅動力將隨著坡度的變化而變化，在輸送車上坡時需要的驅動力比水平運行時大，而此時的驅動力由于車輪與軌道的垂直壓力減小而減小，導致運動不再平穩(wěn)甚至出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，所以設計的關鍵是要保證恒定的驅動力。公式如下：

F=fxN.

（l）式（l）中：F為驅動力;f為摩擦系數(shù);N為壓力。

根據(jù)式（l）可知，兩物體間的摩擦系數(shù)不變，要保證F恒定，只需Ⅳ恒定，因此，新方案單獨單獨設計了驅動輪，通過彈簧產生恒定的壓力，實現(xiàn)了恒定第驅動力，設計方案如圖1所示。

輸送車的驅動輪2的安裝軸為直軸，從動輪8的安裝軸、安裝板、安裝端和從動輪安裝端軸線存在偏心距H，軸上有一垂直橫臂，橫臂與彈簧調整螺栓間拉有一根拉簧，拉簧拉動橫臂使從動輪軸10順時針轉動，由于從動輪軸10偏心距的作用使從動輪8的軸線靠近工字鋼1的腹板，使驅動輪2與從動輪8夾緊工字鋼1的腹板，調節(jié)彈簧調整螺栓9可實現(xiàn)拉簧的拉緊力，從而改變驅動輪2與從動輪8與工字鋼1間的夾緊力，調整輸送車的驅動力，調整后輸送車即可獲得恒定的驅動力，摩擦輪輸送車樣機如圖2所示。

為了減少輸送車的能耗，提高小車的行駛距離，對摩擦輪輸送車進行了輕量化設計，選用鋁材為主要零件材料，安裝板、負重輪的支架、聯(lián)軸器、電池盒、軸承座等。為了便于輸送車的維修，設計了電動與手動運動模式的互換，當小車出現(xiàn)故障或電池缺電時，只要松開彈簧即可消除驅動輪、從動輪與軌道腹板間的夾緊力，可手工推動輸送車在軌道上自由行走（如果夾緊力不消除，則輸送車將由于電機減速器的自鎖導致驅動輪不能轉動而卡在軌道上，無法移動）。為了防止軌道腹板尺寸的誤差或軌道腹板異物的存在，導致驅動力不穩(wěn)定或損壞輸送車，設計了偏心機構，依靠彈簧的伸縮自動適應腹板厚度的變化，確保驅動力的恒定。彈簧拉伸長度可通過彈簧調整螺栓調節(jié)，從而獲得不同的夾緊力，進而獲得不同的輸送車驅動力。輸送車標準化率高，兼顧了經(jīng)濟性和產品的基本功能。總之，摩擦輪輸送車的總體設計除了驅動原理的創(chuàng)新，還對輸送車使用過程中可能存在的問題進行了綜合考慮，并采取了有效的措施，確保輸送車能滿足用戶需求。

3 部件選型與設計

3.1 摩擦輪的選擇計算

摩擦輪（見圖1驅動輪2、從動輪8）的作用是確保輪子和工字鋼腹板產生足夠的摩擦，避免摩擦輪與工字鋼腹板間出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象。根據(jù)工作要求確定輸送車需要達到運行速度為6 m/mm，即運行的速度為O.1 m/s。

摩擦輪滾輪面使用尼龍材質，與工字鋼腹板之間的滾動摩擦系數(shù)以及滑動摩擦系數(shù)是根據(jù)軌道的表面粗糙度以及軌道材質和尼龍類型來決定的，查閱《機械工程師手冊》[3]可以得到靜摩擦系數(shù)為0.90，滑動摩擦系數(shù)為0.65 - 0.80，滾動摩擦系數(shù)為0.40 - 0.60。

根據(jù)以上的參考數(shù)值，結合本次設計的綜合條件考慮，靜摩擦系數(shù)選擇0.9，滑動摩擦系數(shù)選擇0.8，滾動摩擦系數(shù)選擇0.6。

輸送車的其中一個摩擦輪（即驅動輪）的位置是固定的，是由傳動裝置提供動力作為驅動輪的，而另外一個摩擦輪是在拉簧的控制下提供所需的壓力。在摩擦輪進行滾動運動時，滾動摩擦力的方向與摩擦輪的轉動方向是相反的，水平方向有沒有受到摩擦力，是根據(jù)摩擦輪是否和軌道穩(wěn)定夾持不滑動。如果摩擦輪在運動過程中與鐵軌之間不產生相對滑動，則摩擦輪就是在做純滾動運動，此時，摩擦輪水平方向受到的摩擦力等于摩擦輪的靜摩擦力大小，即：

F=Fmax

（2）式（2）中：F為摩擦輪與鐵軌之間的滑動摩擦力;Fmax為摩擦輪和軌道之間的最大靜摩擦力。

所以接下來的計算只要滿足上式就可達到設計要求。

拉簧機構使摩擦輪產生對軌道腹板的正壓力，大小為Ⅳ?；瑒幽Σ亮Φ挠嬎愎綖椋?/p>

f=μN

（3）

由上述可以知道滑動摩擦系數(shù)選擇0.8，即f=0.8N。

摩擦輪是在有阻力偶的條件下進行的，維持摩擦輪滾動所需要的力的大小分析如圖3所示。

4 摩擦輪輸送車的優(yōu)點及使用

4.1 摩擦輪輸送車的優(yōu)點

采用單獨摩擦輪驅動的輸送車優(yōu)勢明顯，驅動輪與承重輪分開設計，各司其職，驅動輪與軌道壓力不隨著軌道坡度變化而變化，始終保持恒定，確保運動的穩(wěn)定性，同時驅動輪又是導向輪，能隨著軌道的彎曲而使輸送車順利轉向，具體講，摩擦輪輸送車具有以下優(yōu)勢：①通過一對（或多對）與導軌互相擠壓的摩擦輪驅動，驅動力穩(wěn)定且大小可調，不易打滑，可在較大坡度軌道上運行;②驅動輪具有導向功能，提高移動小車循跡性能，運行穩(wěn)定;③驅動輪和負重輪各司其職，有利于提高性能和延長壽命，提高運行穩(wěn)定性;④輸送車動力由電機提供，電源可以是移動電源，也可以通過安裝在導軌上的導電排供電，提高輸送車的使用范圍。采用智能控制后，輸送車可檢測所帶電池容量，自動進行充電。

4.2 摩擦輪輸送車的正確使用

基于摩擦輪輸送車的運行位置和工作原理，在使用時應正確操作，避免發(fā)生安全事故或設備不能正常運行。摩擦輪輸送車禁止攜帶超重的物體工作。摩擦輪輸送機運行軌道下方應設置安全通道，輸送車工作時，不允許人和設備在軌道下方。摩擦輪輸送車在攜帶重物運動之前要注意檢查攜帶的物料的重心不能偏離在軌道腹板垂面，如偏離較多，應重新進行物料的裝載，如果摩擦輪輸送車在工作中出現(xiàn)了電機工作異常或者車身振動過大的情況時，應該立刻使摩擦輪輸送車停止工作，在檢查和分析了原因并且使故障排除了之后再重新使小車投入使用;軌道坡度不易過大，一般坡度≤300。

5 總結

摩擦輪輸送車使驅動輪與承重輪功能分開、各司其職，可保證驅動輪與軌道（腹板）間的壓力大小不變，驅動力不受運行軌道坡度的影響，大小恒定，同時驅動輪還起到導向作用，因此輸送車運行更加平穩(wěn)，便于輸送系統(tǒng)完成分軌、合軌，提高輸送系統(tǒng)的可靠性，具有廣闊的應用前景。但是樣機使用現(xiàn)有型材工字鋼作為軌道，承重輪幾乎不受軸向力，不能發(fā)揮承重輪的導向作用，容易導致運動跑偏的問題，所以應設計專用軌道，使承重輪發(fā)揮導向作用，進一步提高摩擦輪輸送車的運行穩(wěn)定性。

參考文獻：

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[4]張偉，孫銀生，游廣飛.摩擦輪傳動中滑動問題及其對傳動比的影響[J]。機械研究與應用，2011，24（2）： 61-63.